[發明專利]一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統和方法

在審

• 申請號: 202010454713.0
• 申請日: 2020-05-26
• 公開（公告）號: CN111579530A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 馮憲;施進丹
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周敏

本發明公開了一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統和方法，波長可調諧窄線寬量子級聯激光器作為光源，其激光輸出耦合進入第一中紅外單模光纖，一段中紅外空芯光纖作為氣室，中紅外空芯光纖兩端側向鉆有通氣微孔以供被測氣體通過，激光通過第一中紅外單模光纖輸出進入中紅外空芯光纖氣室，繼而耦合進入第二中紅外單模光纖、并接著耦合進入光電探頭。兩段中紅外單模光纖與中紅外空芯光纖氣室通過低損耗熔接構成全光纖結構。通過多通道共享微箱的方案，實現多通道、多波長平行氣室檢測；本發明靈敏度高、抗干擾，光路簡單，結構緊湊、體積小、易便攜、擴容性高，可以實現多通道、多組分、多波長快速檢測。

技術領域

本發明涉及一種多組分痕量氣體的檢測裝置和方法，具體涉及一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統和方法，屬于激光光譜檢測和氣體檢測技術領域。

背景技術

中紅外3-14微米波段具有重要的實用價值，生命相關的含碳、氫、氧、氮的氣體分子和揮發性有機物的指紋性基頻振動吸收譜線都落在這個波段內，因此中紅外光譜技術可以對多組分痕量氣體進行同步在線、快速準確的定性定量分析，這在環境監測、工業生產過程監控、有毒易爆氣體檢測、疾病診斷等諸多應用場景中有著重要的需求。

基于朗伯比爾定律(Lambert-Beer law)的直接吸收法是一種通過氣體吸收峰特征波長和吸收系數定性定量表征痕量氣體的光譜檢測技術。首先，光源被耦合進入充滿氣體的氣室中，由于氣體對特定波長的光具有吸收，該波長在氣室輸出端的光強發生衰減，由于氣體吸收光譜在中紅外的指紋式特征(即在確定溫度條件下，氣體任何一個精細譜線波長位置只對應一種氣體，其單位濃度在單位長度上的吸收率是常數)，通過對比特定波長處氣室內有無氣體時的光強比，再根據氣室內總光程長度，計算得到痕量氣體的吸收系數；再次，根據標準氣體光譜數據庫(HITRAN)，通過吸收譜線特征波長確定氣體種類，根據該氣體在該波長特定的單位濃度、單位長度的吸收系數(即吸收截面)確定其濃度。基于直接吸收法的中紅外光譜分析技術具有極高的靈敏度和分辨率，適合測試極低濃度樣品，被廣泛地用于各類原子、分子、基團等的高精度吸收光譜測試，在大氣環境監測和生物醫學等領域有著很廣泛的應用。

通常采用的直接吸收法則采用相干度低、亮度低的寬譜黑體輻射光源(如電阻加熱的硅碳棒)，而對于從氣室輸出的光譜則需要采用較龐大的光柵分光系統。從而實現光譜分辨精度高于氣體吸收光譜譜線線寬。該技術由于寬譜低相干度光源的光譜功率密度低，因此光譜分析精度較低；要實現高光譜分辨能力，衍射式光柵單元光路長，且光路要精確調試，受環境振動干擾大；因此，系統整體結構復雜，體積較大，便攜性差。

目前全固態剛性氣室為了實現提高對痕量氣體的高精度分析能力，多采用長光程氣室的技術方案，為了達到幾十米以上的光程，其剛性氣室的單程長度在米級水平，在氣室兩端加有多個反射鏡以實現多次反射，因此其光路設計復雜，可便攜能力差，一般只能在實驗室內使用。光纖由于其可彎曲、質量輕、光束質量高等優點，是取代傳統全固態剛性氣室、實現結構緊湊、便攜性高的測試系統的優選方案。

發明內容

針對上述中紅外高精度激光光譜直接吸收法光譜分析技術存在的體積大、結構復雜、便攜性差等問題，本發明提供一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統和方法。

為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，包括：波長可調諧、窄線寬中紅外量子級聯激光器、第一中紅外單模光纖、中紅外空芯光纖、第一三通閥門、第一氣體管道、第一微箱、第二三通閥門、第二氣體管道、第二微箱、真空泵、壓力泵、第二中紅外單模光纖、中紅外光電探頭、上位機，其中所述中紅外量子級聯激光器、第一中紅外單模光纖、中紅外空芯光纖、第二中紅外單模光纖、中紅外光電探頭均設置有多個且數量相同，多個中紅外量子級聯激光器的中心波長均不相同，多個中紅外空芯光纖的工作波長均不相同，多個中紅外光電探頭的探測波長均不相同；